張揚(yáng)洋，李浩洲，俱戰(zhàn)省，3*

（1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.麟游縣水土保持工作站，陜西 麟游 721500；3.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013）

生態(tài)環(huán)境變化評(píng)估不僅是聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要內(nèi)容［1］，也是建設(shè)美麗中國(guó)的重要依據(jù)。目前，利用遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing based Ecology Index，RSEI)［2-3］對(duì)城市（群）［4-6］、礦區(qū)［7-8］、自然保護(hù)區(qū)［9］和流域［10］等生態(tài)環(huán)境的變化情況進(jìn)行評(píng)估，已成為生態(tài)遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?；赗SEI的水土流失區(qū)研究主要集中在南方紅壤區(qū)和東北黑土區(qū)［11］，較少涉及黃土高原區(qū)和秦嶺山區(qū)，鮮有研究劃分到水土流失重點(diǎn)防治區(qū)單元，而后者對(duì)水土流失的防治具有重要意義。

根據(jù)《寶雞市人民政府關(guān)于劃分水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的公告》（寶政發(fā)〔2022〕8號(hào)），寶雞市水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)的面積分別為14602.13、3243.80 km2，共占土地總面積的98.5%。該劃分結(jié)果主要是基于中國(guó)土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)以及寶雞市土壤侵蝕強(qiáng)度（輕度及以上）的土地面積確定。當(dāng)前，寶雞市正在加快建設(shè)成為關(guān)中平原城市群的副中心城市，如何在水土資源限制的背景下，更有針對(duì)性地開(kāi)展水土流失區(qū)的生態(tài)變化監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)工作，是黃土高原和秦嶺山區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要議題。

在陜西省生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，有學(xué)者利用RSEI對(duì)2000—2020年陜西省和西安市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行了研究，得出在鄉(xiāng)村振興背景下，陜西省的環(huán)境質(zhì)量有所改善，改善程度呈先快后慢的變化趨勢(shì)［12］，而西安市的生態(tài)環(huán)境先惡化后好轉(zhuǎn)［13］的結(jié)論。在寶雞市生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，盡管已有研究采用RSEI評(píng)估了寶雞市主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化［14］，但評(píng)估面積僅占寶雞市總土地面積的20.01%，也未耦合基于CLSE的水土流失防治區(qū)劃分結(jié)果。基于此，本研究耦合寶雞市水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的劃分結(jié)果，利用RSEI定量評(píng)估了2010和2022年寶雞市的生態(tài)環(huán)境狀況，系統(tǒng)分析了寶雞市的生態(tài)環(huán)境變化特征，以期為政府部門(mén)在水土流失防治領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寶雞市地處陜西省關(guān)中西部，位于106°18′～108°03′E和33°35′～35°06′N之間，總面積為18117.00 km2。其中山地、丘陵和平原的面積分別占土地總面積的56.0%、26.5%和17.5%。寶雞市以秦嶺為界，北部屬于黃土高原區(qū)、南部則以秦嶺山區(qū)為主，近50 a的年平均降水量為666 mm。根據(jù)水利部2022年全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果，寶雞市水土流失面積為4998.96 km2。

圖1 寶雞市的縣域分布

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站的遙感影像(https://glovis.usgs.gov/)，選取了2010年5月23日和2022年6月1日總共4景Landsat遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源（表1）。為確保本研究具有較好的可比性，所選遙感影像的季相相同，自然下墊面要素狀態(tài)相似，研究區(qū)范圍內(nèi)的云量少，數(shù)據(jù)精確性較高。此外，使用寶雞市行政區(qū)劃的矢量文件作為底圖，應(yīng)用ENVI 5.3、Arcgis 10.8軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行處理。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用遙感影像處理軟件ENVI 5.3提供的輻射定標(biāo)工具和FLAASH大氣校正工具將2010年2景遙感影像數(shù)據(jù)的多光譜波段分別進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，Landsat 9影像無(wú)須輻射定標(biāo)與大氣校正。將DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值并消除大氣、光照等因素對(duì)于地物反射的影響，從而獲得地物的真實(shí)反射率。對(duì)大氣校正后的遙感影像數(shù)據(jù)分別采用直方圖匹配法無(wú)縫拼接，再利用研究區(qū)域的矢量文件進(jìn)行圖像裁剪。

2.3 研究方法

2.3.1 分量指標(biāo)構(gòu)建 遙感生態(tài)指數(shù)選取了對(duì)人類生存環(huán)境極為重要的綠度、濕度、干度、熱度等指標(biāo)。采用通過(guò)纓帽變換后的濕度分量(WET)代表濕度指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式（1）～式（2）中：各系數(shù)為T(mén)M/OLI 的濕度系數(shù)［15］；ρred為紅波段的反射率；ρblue為藍(lán)波段的反射率；ρgreen為綠波段的反射率；ρnir為近紅外段的反射率；ρswir1為短波紅外1波段的反射率；ρswir2為短波紅外2波段的反射率。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)常用于評(píng)估區(qū)域的植物生物量、植被覆蓋度，選用NDVI代表綠度指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式（3）中：ρnir為近紅外波段反射率；ρred為紅波段反射率。

干度指標(biāo)選用裸土指數(shù)(SI)，由于在真實(shí)環(huán)境中包含建筑用地，因此使用SI和建筑指數(shù)(IBI)合成干度指數(shù)(NDSI)，計(jì)算公式為：

式（4）～式（6）中：SI為裸土指數(shù)；IBI為建筑指數(shù)；ρswir1為短波紅外波段1的反射率；ρred為紅波段的反射率；ρblue為藍(lán)波段的反射率；ρnir為近紅外波段；ρgreen為綠波段的反射率。

采用地表溫度(LST)代表溫度指標(biāo)，本文通過(guò)Landsat反演地表溫度(Lλ)，計(jì)算公式為：

式（7）～式（9）中：ε為地表比輻射率；Ts為地表真實(shí)溫度；B(Ts)為黑體輻射亮度；L↑、L↓分別為大氣向下、向上輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率；定標(biāo)系數(shù)K1、K2從遙感影像文件中獲?。粚?duì)于2010年的TM，K1=607.76 W/(m2·sr·μm)、K2=1260.56 K；對(duì)于2022年TIRS，K1=799.03 W/(m2·sr·μm)、K2=1329.24 K。

色彩元素有兩個(gè)分類，直接城市色彩與間接城市色彩，直接城市色彩指對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)具象的城市色彩元素進(jìn)行提煉；間接色彩指通過(guò)對(duì)能夠表現(xiàn)天津符號(hào)的抽象元素進(jìn)行視覺(jué)分析而得到的具有代表性的色彩。根據(jù)自然環(huán)境及城市發(fā)展理念，天津?yàn)I海新區(qū)的色彩可以概括為藍(lán)色、白色、淺灰色。

2.3.2 遙感生態(tài)指數(shù)的綜合構(gòu)建 本研究采用主成分分析法(PCA)提取4個(gè)指標(biāo)中的主要因素，對(duì)影響生態(tài)的主要因素進(jìn)行遙感生態(tài)指數(shù)解譯?？紤]到4個(gè)指標(biāo)的量綱不一致，在主成分變換前對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為：

式（10）中：NIi為歸一化后的指標(biāo)數(shù)值；Indexi為該指標(biāo)在區(qū)域像元i上的數(shù)值；Indexmin、Indexmax分別為該指標(biāo)的最小值和最大值。

對(duì)歸一化后的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行波段合成并掩膜水體以免影響最終結(jié)果，在ENVI軟件中進(jìn)行主成分分析，得到主成分的數(shù)值，其中PC1所含信息量最大，其余主成分包含的信息量少，且數(shù)值與符號(hào)較為混亂。因此，本文中只采用PC1構(gòu)建RSEI，分析PC1圖像后，對(duì)2010年數(shù)據(jù)用1減去PC1得到原始生態(tài)指數(shù)RSEI0，計(jì)算公式為：

RSEI0=1-{PC1[f(NDVI,WET,NDSI,LST)]} （11）

考慮到多期指標(biāo)的度量和比較，對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化處理并構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，計(jì)算公式為：

式（12）中：RSEI的值域?yàn)?～1，其值越大，表示該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境越好，反之，則表示該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境越差。

3 結(jié)果與分析

3.1 寶雞市生態(tài)質(zhì)量總體評(píng)價(jià)

利用ENVI軟件計(jì)算得到主成分分析結(jié)果（表2），并制得2010、2022年寶雞市RSEI生態(tài)等級(jí)變化圖（圖2）。

表2 各分量指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

圖2 2010、2022年寶雞市RSEI生態(tài)等級(jí)及其變化情況

第1主成分PC1集中了85%左右的特征信息，在每個(gè)年份的PC1中，WET和NDVI為正值，NDSI和LST為負(fù)值，符合生態(tài)質(zhì)量的反饋情況，表明濕度和植被覆蓋度對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有正面影響，而裸土建筑與地表溫度對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有負(fù)面影響。依據(jù)第1主成分構(gòu)建RSEI。由表2可知，寶雞市在2010和2022年的RSEI值分別為0.7171和0.7696，生態(tài)質(zhì)量有所上漲，漲幅為7.32%。為了進(jìn)行可視化和定量化分析，將2期RSEI的結(jié)果以0.2為間隔劃分為5個(gè)等級(jí)，得到RSEI等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

由圖2和表3可知，2010—2022年寶雞市等級(jí)“優(yōu)”的區(qū)域的比例提升了37.26%，等級(jí)“差”的區(qū)域面積增加了10.38%，大部分地區(qū)的生態(tài)等級(jí)維持不變；生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的區(qū)域主要集中在寶雞市北部；而生態(tài)變差的區(qū)域則主要在渭河平原人口密集區(qū)域、由陳倉(cāng)區(qū)向隴縣延伸的西北—東南走向的條帶狀區(qū)域以及太白山周邊區(qū)域；生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生消極變化的區(qū)域存在向渭河平原收縮聚集的特征，并且出現(xiàn)了團(tuán)塊狀的RSEI等級(jí)減少的區(qū)域。

通過(guò)分析轉(zhuǎn)移矩陣可知，“優(yōu)”等級(jí)維持不變的比例超過(guò)了90%，“較差”“中”和“良”等級(jí)向上優(yōu)化的幅度超過(guò)了維持不變的幅度，“差”和“良”等級(jí)向上一級(jí)優(yōu)化的比例均超過(guò)了50%，“差”等級(jí)維持不變的比例最小，僅為19%，其他等級(jí)則在23%～35%之間。這說(shuō)明寶雞市生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)較好的區(qū)域優(yōu)化的幅度更大，且對(duì)生態(tài)環(huán)境優(yōu)異的地區(qū)有著較為完善的保護(hù)。寶雞市生態(tài)等級(jí)下滑的比例不大，但仍需要不斷被關(guān)注。

3.2 寶雞市生態(tài)質(zhì)量縣域變化情況分析

由圖3可知，2010年所有縣區(qū)的評(píng)級(jí)都在“良”及以上，有6個(gè)縣區(qū)RSEI值在0.6～0.7之間，太白縣和鳳縣為“優(yōu)”；截至2022年，僅有4個(gè)縣區(qū)的RSEI值在0.7以下，其中僅扶風(fēng)縣低于0.6；12 a間有5個(gè)縣區(qū)的變化率超過(guò)14%，其中麟游縣、千陽(yáng)縣、隴縣的RSEI值的漲幅超過(guò)15%，而扶風(fēng)縣和岐山縣跌幅大于14%。

寶雞市生態(tài)等級(jí)降低的區(qū)域主要集中在中東部，其中扶風(fēng)縣、岐山縣、金臺(tái)區(qū)全境、眉縣和渭濱區(qū)北部、鳳翔區(qū)南部、陳倉(cāng)區(qū)西部形成了關(guān)中平原集聚性的生態(tài)環(huán)境消極變化。此外，在寶雞市西北部和東南部的太白山景區(qū)一帶存在生態(tài)負(fù)面情況，需要在景區(qū)及其周邊地區(qū)加大環(huán)境保護(hù)力度、規(guī)范游客行為、宣揚(yáng)綠色旅游。寶成線沿線、鳳縣鳳州鎮(zhèn)至太白縣咀頭鎮(zhèn)一線、磻溪釣魚(yú)臺(tái)及周圍的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)中向好。在關(guān)中平原聚集性生態(tài)環(huán)境消極區(qū)，眉縣北部的生態(tài)狀況變化情況明顯好于周圍縣區(qū)，出現(xiàn)了成塊的環(huán)境優(yōu)化區(qū)。渭濱區(qū)與太白縣、鳳縣交界處區(qū)域生態(tài)狀況有大幅改善。

3.3 寶雞市生態(tài)質(zhì)量水土流失重點(diǎn)防治區(qū)分析

水土流失是我國(guó)最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［16-17］。目前水土流失在寶雞市范圍內(nèi)仍然頻發(fā)且影響重大［18］，全市水土流失面積12060.8 km2。截至2017年年底，寶雞市已累計(jì)治理水土流失面積6130 km2，但水土流失治理工作仍然任重道遠(yuǎn)［19］。

為了更好地治理水土流失，寶雞市政府于2022年5月進(jìn)行了水土流失重點(diǎn)防治區(qū)劃分，未標(biāo)注地區(qū)占全市總面積3.07%。圖4為鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖結(jié)合水土流失重點(diǎn)防治區(qū)劃分的可視化結(jié)果，表4匯總了RSEI值最高和最低的前5個(gè)鎮(zhèn)街及其所屬的防治區(qū)。高值區(qū)的鎮(zhèn)街多屬于秦嶺山地預(yù)防區(qū)，低值區(qū)的鎮(zhèn)街則全部屬于未標(biāo)注地區(qū)。

表4 2010、2022年寶雞市RSEI值最高和最低的鎮(zhèn)街

圖4 寶雞市水土流失重點(diǎn)防治區(qū)劃分

由圖5可知，渭北丘陵溝壑防治區(qū)與關(guān)山山地預(yù)防區(qū)的RSEI值漲幅較大，而關(guān)中階地、臺(tái)塬重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和治理區(qū)則有所下降。

圖5 寶雞水土流失重點(diǎn)防治區(qū)RSEI變化情況

將RSEI下降區(qū)域2022年的RSEI值和12 a變化單獨(dú)提取（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，該防治區(qū)內(nèi)“差”等級(jí)的區(qū)域零星分布，且12 a間有較大范圍的生態(tài)環(huán)境在變差，大多沿新建主干道路分布。

圖6 2022年寶雞市水土流失重點(diǎn)防治區(qū)RSEI值及變化情況

在前20 位RSEI值下降的鎮(zhèn)街中，關(guān)中階地臺(tái)塬的治理區(qū)占11 個(gè)，預(yù)防區(qū)占6 個(gè)。表4 中低值鎮(zhèn)街均被劃分在未標(biāo)注地區(qū)中，2022 年低值鎮(zhèn)街與關(guān)中階地、臺(tái)塬水土流失重點(diǎn)防治區(qū)均位于渭河平原。由圖6c、圖6d 可知，生態(tài)是由西向東逐漸惡化。此處為寶雞市發(fā)展的中心，也是對(duì)外溝通的要道，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、工程建設(shè)增多，對(duì)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定十分不利。此外，寶雞市政府持續(xù)推進(jìn)秦嶺“五亂”治理工作與秦嶺區(qū)域的復(fù)綠工作，對(duì)秦嶺山地預(yù)防區(qū)的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化起到了積極作用。

4 結(jié)論

本文基于遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)2010—2022年寶雞市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明：寶雞市總體RSEI值上漲了7.32%，生態(tài)質(zhì)量變好的主要原因是植被覆蓋度的增加和城市熱度的減少；2022年，寶雞市“優(yōu)”等級(jí)面積占比提升了37.26%，達(dá)到了全市面積的62.35%，生態(tài)質(zhì)量變好地區(qū)主要分布于寶雞市北部的縣區(qū)；12 a間寶雞市生態(tài)環(huán)境面積變化轉(zhuǎn)移矩陣中“優(yōu)”等級(jí)地區(qū)維持不變的比例超過(guò)90%，僅有2個(gè)縣區(qū)的RSEI值負(fù)增長(zhǎng)，鎮(zhèn)街極值也有所上升，表明全市生態(tài)等級(jí)整體提升；在水土流失重點(diǎn)防治區(qū)中，渭北丘陵溝壑重點(diǎn)治理區(qū)的生態(tài)狀況維持得最好，關(guān)中階地、臺(tái)塬防治區(qū)及部分未標(biāo)注地區(qū)由于地處人口稠密地區(qū)，生態(tài)情況有所變差，且生態(tài)環(huán)境的消極方向呈現(xiàn)向心性、集聚性等特點(diǎn)，需要依據(jù)水土流失預(yù)防區(qū)與治理區(qū)的特性，有針對(duì)性地進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和修復(fù)?？傮w來(lái)看，12 a間寶雞市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上有所改善，但部分區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量仍有較大的改善空間。

本文所使用的遙感數(shù)據(jù)僅涵蓋了2010、2022年2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，未能對(duì)寶雞市生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行逐年分析。此外，城市生態(tài)環(huán)境的變化受多重因素的影響，未來(lái)還需要進(jìn)一步拓展數(shù)據(jù)來(lái)源，深入挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，揭示生態(tài)環(huán)境變化的機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，從而為城市生態(tài)環(huán)境的改善提供理論依據(jù)。